什么是粒子加速器? 粒子加速器是如何工作的？

无论是医学研究还是科学研究，消费产品开发还是国家安全，粒子加速器几乎涉及到我们日常生活的每个部分。自从1890年代阴极射线管问世以来，粒子加速器为科学技术创新做出了重要贡献。今天，全世界有超过30,000种粒子加速器在运行。

什么是粒子加速器?

粒子加速器是一种将基本粒子(例如电子或质子)加速到很高能量的机器。从根本上讲，粒子加速器产生带电粒子束，可用于各种研究目的。粒子加速器有两种基本类型：线性加速器和圆形加速器。线性加速器沿线性或直线的光束线推动粒子。圆形加速器将粒子推进圆形轨道。线性加速器用于固定目标实验，而圆形加速器可用于碰撞束实验和固定目标实验。

粒子加速器如何工作?

粒子加速器使用电场来加速和增加一束粒子束的能量，这些粒子束受到磁场的控制和聚焦。粒子源提供要加速的粒子，例如质子或电子。粒子束在金属束管中的真空中传播。真空对于维持无尘和无尘的环境至关重要，以确保粒子束畅通无阻。当粒子束通过真空管时，电磁体将对其进行控制并聚焦。

在给定的频率下，加速器周围的电场从正向负切换，产生无线电波，使粒子成束加速。可以将粒子对准固定的目标，例如一块薄薄的金属箔，或者可以碰撞两束粒子。粒子探测器记录并揭示粒子束与目标之间的碰撞所产生的粒子和辐射。

加速器如何为基础科学做出贡献?

粒子加速器是发现粒子和核物理以及使用X射线和中子(一种中性亚原子粒子)的科学的重要发现工具。

粒子物理学也称为高能物理学，它提出有关宇宙的基本问题。以粒子加速器为主要科学工具，粒子物理学家对控制物质，能量，空间和时间的基本粒子和物理定律有了深刻的了解。

在过去的四十年中，光源-产生光子的加速器，负责电磁辐射的亚原子粒子-以及使用它们的科学取得了重大进展，跨越了许多研究领域。如今，美国大约有10,000名科学家使用X射线束进行物理学和化学，生物学和医学，地球科学以及材料科学与开发的许多其他方面的研究。

颗粒促进剂如何改善消费产品?

在全球范围内，数百个工业过程都使用粒子加速器-从计算机芯片的制造到塑料的交联以进行热缩包装等。

电子束的应用集中于材料性能的改变，例如塑料的改变，表面处理以及医学灭菌和食物辐照中病原体的破坏。离子束加速剂可加速较重的粒子，在半导体工业中广泛用于芯片制造和硬化材料表面(如用于人工关节的材料)。

粒子加速器如何在医疗应用中使用?

每年在全球的医院和诊所中，有数千万患者接受基于加速器的诊断和治疗。粒子加速器在医学应用中有两个主要作用：用于医学诊断和治疗的放射性同位素的生产，以及用于医学治疗的电子束，质子和较重带电粒子的源。

放射性同位素的半衰期范围很广，而且它们的辐射类型不同，因此可以针对特定应用进行优化。发出X射线，伽马射线或正电子的同位素可以用作诊断探针，仪器位于患者体外以对放射线分布进行成像，从而对生物结构和流体运动或收缩(例如血流)成像。β射线(电子)和α粒子(氦核)的发射体将大部分能量沉积在发射核的位置附近，并用作破坏癌组织的治疗剂。

通过外部束进行放射治疗已经发展成为治疗癌症患者的高效方法。现在，这些辐射的绝大多数是通过产生电子束和X射线的微波线性加速器进行的。过去50年来，促进剂技术，诊断和治疗技术的发展极大地改善了临床效果。如今，全球有30个质子和3个碳离子束处理中心在运营，许多新的中心正在建设中。

能源部的国家实验室在这些技术的早期开发中发挥了关键作用。洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)帮助开发了用于电子的线性加速器，现在已经成为外部电子束治疗的主要手段。橡树岭(Oak Ridge)和布鲁克黑文国家实验室(Brookhaven National Laboratories)在同位素的诊断和治疗方面贡献了许多当前的专业知识。劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)率先将质子，α粒子(氦核)和其他轻离子用于治疗和放射生物学。

粒子加速器如何使国家安全受益?

粒子加速器在国家安全中起着重要作用，包括货物检查，库存管理和材料鉴定。

加速器在检查核燃料方面的早期应用使用了商用低能电子线性加速器来引发光裂变反应。这些检查技术扩展到1980年代的废料桶调查，最后扩展到货物检查。自由电子激光在1970年代的发明导致使用高能电子的更高功率的电磁辐射，直接引起了安全和国防应用的兴趣，其中包括海军提议的将自由电子激光技术应用于舰船防御的应用。